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1、气汽对流传热综合实验装置（计算机控制）说明书天津大学化工技术基础实验中心2003年 5月一、实验装置的基本功能和特点本实验装置是以空气和水蒸汽为介质，对流换热的简单套管换热器和强化内管的套管换热器。通过对本换热器的实验研究，可以掌握对流传热系数 i的测定方法，加深对其0.4概念和影响因素的理解。并应用线性回归分析方法，确定关联式Nu=ARemPr 中常数A、 m的值。通过对管程内部插有螺旋线圈的空气- 水蒸气强化套管换热器的实验研究，测定其m准数关联式 Nu=BRe中常数 B、 m 的值和强化比 Nu/Nu0，了解强化传热的基本理论和基本方式。实验装置的主要特点如下：1. 实验操作方便 , 安
2、全可靠。2. 数据稳定 , 强化效果明显，用图解法求得的回归式与经验公式很接近。3. 水 , 电的耗用小 , 实验费用低。4. 传热管路采用管道法兰联接 , 不但密封性能好 ,? 而且拆装也很方便。5. 箱式结构，外观整洁，移动方便。二、强化套管换热器实验简介强化传热又被学术界称为第二代传热技术，它能减小初设计的传热面积，以减小换热器的体积和重量；提高现有换热器的换热能力；使换热器能在较低温差下工作；并且能够减少换热器的阻力以减少换热器的动力消耗，更有效地利用能源和资金。强化传热的方法有多种，本实验装置是采用在换热器内管插入螺旋线圈的方法来强化传热的。螺旋线圈的结构图如图1 所示，螺旋线圈由直
3、径 3mm 以下的铜丝和钢丝按一定节距绕成。将金属螺旋线圈插入并固定在管内，即可构成一种强化传热管。在近壁区域，流体一面由于螺旋线圈的作用而发生旋转，一面还周期图 1螺旋线圈内部结构性地受到线圈的螺旋金属丝的扰动，因而可以使传热强化。由于绕制线圈的金属丝直径很细，流体旋流强度也较弱，所以阻力较小，有利于节省能源。螺旋线圈是以线圈节距H 与管内径 d 的比值技术参数，且长径比是影响传热效果和阻力系数的重要因素。科学家通过实验研究总结了形式为式，其中 B 和 m 的值因螺旋丝尺寸不同而不同。NuB Rem 的经验公采用实验3-1 中的实验方法确定不同流量下得Rei 与 Nu i ，用线性回归方法可
4、确定B和 m 的值。单纯研究强化手段的强化效果（不考虑阻力的影响），可以用强化比的概念作为评判准则，它的形式是：Nu Nu 0 ，其中Nu 是强化管的努塞尔准数，Nu0 是普通管的努塞尔准数，显然，强化比Nu Nu 0 1，而且它的值越大，强化效果越好。三、设备主要技术数据1. 传热管参数 : 表 1 实验装置结构参数实验内管内径di（ mm）20.00实验内管外径do（ mm）22.0实验外管内径D i（mm ）50实验外管外径Do（ mm）57.0测量段（紫铜内管）长度l（ m）1.00强化内管内插物丝径 h（ mm）1（螺旋线圈）尺寸节距 H （ mm）40加热釜操作电压200 伏操作电
5、流10 安2. 空气流量计(1)由孔板与压力传感器及数字显示仪表组成空气流量计。空气流量由公式1 计算。Vt 020.034 ( P)0.51其中，3Vt 0 - 20 下的体积流量， m/h；P- 孔板两端压差， Kpat1 - 空气入口温度（及流量计处温度）下密度，Kg/m 3。(m3/h) 与压差之间的关系。V (m 3/h)(2)要想得到实验条件下的空气流量则需按下式计算 :273tVVt0273t20其中， V- 实验条件（管内平均温度）下的空气流量，m3/h ；t- 换热器管内平均温度，；t1- 传热内管空气进口（即流量计处）温度，。3.温度测量(1)空气入传热管测量段前的温度t
6、1 ( ) 由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(2)空气出传热管测量段时的温度t 2 ( ) 由电阻温度计测量，可由数字显示仪表直接读出。(3)管外壁面平均温度tw( ) 由数字式毫伏计测出与其对应的热电势E(mv), 热电偶是由铜康铜组成), 再由 E 根据公式 :tw( )= 1.270523.518 E(mv) 计算得到。4.电加热釜是产生水蒸汽的装置, 使用体积为7 升 ( 加水至液位计的上端红线),? 内装有一支2.5kw的螺旋形电热器, 当水温为30时 , 用 200 伏电压加热 , 约 25 分钟后水便沸腾, 为了安全和长久使用 , 建议最高加热( 使用 ) 电压不超过
7、200 伏 ( 由固态调压器调节) 。5.气源 (鼓风机 )又称旋涡气泵, XGB 2 型 , 由无锡市仪表二厂生产, 电机功率约0.75 KW( 使用三相电源 ), 在本实验装置上 , 产生的最大和最小空气流量基本满足要求 , 使用过程中 ,? 输出空气的温度呈上升趋势。6.稳定时间是指在外管内充满饱和蒸汽, 并在不凝气排出口有适量的汽( 气 )? 排出 , 空气流量调节好后 , 过 15 分钟 , 空气出口的温度t 2 ( ) 可基本稳定。四、实验设备流程图:见附图所示。五、实验方法及步骤1. 实验前的准备 , 检查工作 .(1) 向电加热釜加水至液位计上端红线处。(2) 向冰水保温瓶中加
8、入适量的冰水, 并将冷端补偿热电偶插入其中。(3) 检查空气流量旁路调节阀是否全开。(4) 检查蒸气管支路各控制阀是否已打开。保证蒸汽和空气管线的畅通。(5) 接通电源总闸，设定加热电压，启动电加热器开关，开始加热。2. 实验开始 .(1) 一段时间后水沸腾 , 水蒸汽自行充入普通套管换热器外管，观察蒸汽排出口有恒量蒸汽排出，标志着实验可以开始。(2)约加热十分钟后, 可提前启动鼓风机, 保证实验开始时空气入口温度t 1( ) 比较稳定。(3)调节空气流量旁路阀的开度 ,使压差计的读数为所需的空气流量值( 当旁路阀全开时, 通过传热管的空气流量为所需的最小值, 全关时为最大值 ) 。(4)稳定
9、 5-8 分钟左右可转动各仪表选择开关读取t 1,t 2, E 值。 ( 注意：第 1 个数据点必须稳定足够的时间)(5) 重复 (3) 与 (4) 共做 710 个空气流量值。(6) 最小 , 最大流量值一定要做。(7) 整个实验过程中 , 加热电压可以保持 ( 调节 ) 不变 , 也可随空气流量的变化作适当的调节。3转换支路，重复步骤2 的内容，进行强化套管换热器的实验。测定数据。4 实验结束 .7 10组实验(1) 关闭加热器开关。(2) 过 5 分钟后关闭鼓风机 , 并将旁路阀全开。(3) 切段总电源(4) 若需几天后再做实验 , 则应将电加热釜和冰水保温瓶中的水放干净。五 . 使用本
10、实验设备应注意的事项1由于采用热电偶测温，所以实验前要检查冰桶中是否有冰水混合物共存。检查热电偶的冷端，是否全部浸没在冰水混合物中。2检查蒸汽加热釜中的水位是否在正常范围内。特别是每个实验结束后，进行下一实验之前，如果发现水位过低，应及时补给水量。3必须保证蒸汽上升管线的畅通。即在给蒸汽加热釜电压之前，两蒸汽支路控制阀之一必须全开。在转换支路时，应先开启需要的支路阀，再关闭另一侧，且开启和关闭控制阀必须缓慢，防止管线截断或蒸汽压力过大突然喷出。4必须保证空气管线的畅通。即在接通风机电源之前，两个空气支路控制阀之一和旁路调节阀必须全开。在转换支路时，应先关闭风机电源，然后开启和关闭控制阀。5.
11、电源线的相线 , 中线不能接错 , 实验架一定要接地。6.数字电压表及温度、压差的数字显示仪表的信号输入端不能 开路 。六 . 附录1. 实验数据的计算过程简介 ( 以普通管第一列数据为例 ) 。孔板流量计压差P =0.20Kpa 、进口温度t 1 =33、出口温度t 2 =74.60 壁面温度热电势 4.23mv 。已知数据及有关常数 :(1)传热管内径di (mm)及流通断面积 F (m2).di 20.0( ), 0.0200 ( );F ( di2) 4 3.142 (0.0200) 2 4 0.0003142( m 2).(2)传热管有效长度 L( ) 及传热面积i2s(m ). L
12、 1.00 （ )si L d i3.142 1.00 0.0200 0.06284(m 2).(3)t 1 ( ) 为孔板处空气的温度,为由此值查得空气的平均密度t1 ，例如：t 1=33，查得t 1 =1.153 Kg/m 3。(4) 传热管测量段上空气平均物性常数的确定.先算出测量段上空气的定性温度t ( ) 为简化计算 ,取 t 值为空气进口温度t 1( ) 及t1t233 74.6出口温度 t 2( ) 的平均值 , 即 t2=53.80 （）23);此查得 :测量段上空气的平均密度 1.08 (Kg/m测量段上空气的平均比热Cp 1005 (J KgK);测量段上空气的平均导热系数 0.0285( K);测量段上空气的平均粘度 0.0000198 (Pa s );传热管测量段上空气的平均普兰特准数的0.4 次方为 :
